Lekcija 5Pojaala snage i upravljanje istosmjernim motorima
Doc.dr.sc. Jasmin VelagiElektrotehniki fakultet SarajevoKolegij: Aktuatori
Elektromotorni pogon s istosmjernim motorom
Mt Mm
r Dava referentne veliine
Regulator brzine vrtnje
Regulator struje
armature
Generator impulsa
Tiristorski usmjeriva
M
TG
Prilagodba mjernog signala brzine vrtnje i filter
Radni mehanizam
Prilagodba mjernog signala struje i filter
Mreni transformator
Mjerni strujni transformator
Iar Uup
r referentna vrijednost brzine vrtnje Iar referentna vrijednost struje armature Uup upravljaki napon
Upravljaki dio Energetski dio
Kaskadni sistem regulacije brzine vrtnje i armaturne struje s tiristorskim ispravljaem (usmjerivaem).
2/70
Koriste se za upravljanje. Prema tehnici izvedbe dijele se na: elektrika, pneumatska, hidraulika.
Elektrika pojaala prema izvedbi dijele se na: strujna (stroj kao pojaalo snage rotaciona), elektromehanika (sklopnici), magnetska (masovno su se koristili 50-60 godina prolog
stoljea), elektronika.
5.1. Pojaala snage3/70
Elektronika pojaala se dalje dijele na: pojaala s ivinim ventilom (40-50 godina prolog
stoljea), tiratroni (za manje snage), tiristori (od 60-tih godina prolog stoljea na ovamo), tranzistori snage (od 70-tih godina prolog stoljea).
Bez obzira na tehniku izvedbe pojaala snage, postavljaju se slijedei zahtjevi na: pojaanje snage, linearnost statike karakteristike, malu vremensku konstantu.
Pojaala snage4/70
Kao poluvodiki elementi (sklopke) u pojaalima snage se koriste: tiristori,GTO (Gate turn-off) tiristori, bipolarni tranzistori,MOSFET tranzistori, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors).
5.1.1. Poluvodiki elementi u pojaalima snage5/70
Tiristor je poluupravljivi poluvodiki ventil. Kada je potencijal anode manji od potencijala katode (zaporni smjer),
tiristor ne vodi struju. U propusnom smjeru (potencijal anode vei od potencijala katode, uAK > 0)
tiristor moe preuzeti blokirni napon manji od probojnog ukoliko na upravljakoj elektrodi (gate) nema pozitivnog napona.
Tiristor A Kg
iA
uAKblokiranje u zapornom smjeru
blokiranje u propusnom smjeru
uklapanje
stanje voenja
iA
uAKprobojni napon
blokiranje u propusnom smjeru
uklapanje
stanje voenjaIdealizirana ui
karakteristikaRealna uikarakteristika
6/70
Ukoliko se na tiristor dovede pozitivni napon (strujni impuls), tiristor e nakon regenerativnog procesa uklapanja prei u stanje voenja, u kojem je na njemu pad napona tipinog iznosa od 1 do 3 V. Jednom kad tiristor provede, upravljaki se impuls moe i ukloniti, a tiristor ostaje u samoodravajuem stanju.
Tiristor7/70
Preko upravljake elektrode isklopljivi tiristor ili GTO (eng. gate turn-off thyristor) je posebna vrsta tiristora, koja pripada potpuno upravljivim sklopkama.
Poput klasinog tiristora i GTO se iz stanja blokiranja dovodi u stanje voenja kratkim pozitivnim impulsom struje upravljake elektrode i ostaje u stanju voenja bez daljnjeg prisustva ove struje.
Meutim, za razliku od klasinog tiristora, GTO se moe isklopiti pomou kratkotrajnog ali snanog negativnog impulsa struje upravljake elektrode.
Amplituda negativnog strujnog impulsa tipino iznosi 1/3 struje koja se isklapa.
GTO tiristor8/70
A K
g
GTO tiristoriA
uAKblokiranje u zapornom smjeru
blokiranje u propusnom smjeru
uklapanje
stanje voenja
iA
uAKprobojni napon
blokiranje u propusnom smjeru
uklapanje
isklapanjeIdealizirana uikarakteristika
Realna uikarakteristika
isklapanje
9/70
IGBT tranzistori ujedinjuju dobre strane MOSFET i bipolarnih tranzistora.
Ova vrsta tranzistora dominira u pojaalima srednjih snaga.
Osnovne karakteristike IGBT tranzistora su MOS upravljaka elektroda, velika brzina preklapanja, mali pad napona u stanju voenja, sposobnost voenja velikih struja i visoki stupanj robusnosti.
Ove su sklopke po karakteristikama najblie idealnim sklopkama s tipinim rasponima napona od 600 - 1700 V, s padom napona tokom voenja od 1.7 - 2.0 V pri strujama do 1000 A i vremenima preklapanja od 200 - 500 ns.
Pojava IGBT tranzistora je doprinijela padu cijena pojaala snage te je poveala broj ekonomski isplativih industrijskih aplikacija.
IGBT tranzistori
E
C
G
10/70
IGBT tranzistori kombiniraju visoku ulaznu impedanciju i brzinu MOSFET tranzistora s visokom vodljivosti (visokom gustoom struje) bipolarnih Darlington tranzistora.
IGBT tranzistori pojednostavljuju projektiranje sklopovlja u odnosu na bipolarne tranzistora i omoguuju preklapanja visoke frekvencije uz reducirani um u pretvaraima te doprinose smanjenju veliine i teine pojaala snage kao ureaja u raznim primjenama.
Slika prikazuje nadomjesnu shemu IGBT tranzistora, gdje se ulazni dio predstavlja MOSFET tranzistorom, a izlazni dio bipolarnim tranzistorom.
IGBT tranzistoriC
E
G
11/70
Tiristorska pojaala napajaju se direktno iz mree i sjeckajumreni napon Umsinmt.
Osnovna zadaa tiristorskih pretvaraa je da se srednja vrijednost napona pojaala mijenja u skladu s vrijednosti upravljakog signala (izlaza iz regulatora).
Tiristorska pojaala razlikuju se od pojaala snage s tranzistorima i GTO tiristorima zbog svojstva poluupravljivosti tiristora kao elektronike sklopke.
Naime, gaenje tiristora nastupa kada struja kroz tiristor padne ispod struje dranja (IH) to znai da e u danim uvjetima za isti trenutak ukljuenja tiristora trenutak gaenja tiristora ovisiti o karakteru tereta pojaala, npr. teret moe biti tipa R, R+L ili R+L+E (istosmjerni motor).
5.2. Tiristorska pojaala12/70
Tiristorska pojaala se dijele na: ispravljae usmjerivae, izmjenjivae, pretvarae frekvencije (ciklokonvertori), pretvarae napona.
Ispravlja struja tee samo u jednom smjeru kroz teret (I ili IV kvadrant).
Usmjeriva pretvara izmjeninu u istosmjernu energiju. Predstavlja antiparalelni spoj dva ispravljaa (za rad u
sva etiri kvadranta). Postoje spojevi bez krune struje, s krunom strujom i krini spoj (s krunom strujom).
Tiristorska pojaala13/70
Usmjerivai se koriste kod upravljanja istosmjernim strojevima, punjenja akumulatorskih baterija, napajanja elektrolize, itd.
Izmjenjiva pretvara istosmjernu u izmjeninu energiju (akumulatorske baterije i istosmjerni generator izmjenina energija).
Pretvara frekvencija pretvara izmjeninu energiju jedne frekvencije u izmjeninu energiju druge frekvencije.
Upotrebljava se za upravljanje brzinom vrtnje asinhronog motora promjenom frekvencije napona napajanja.
Pretvara napona pretvara istosmjerni napon jednog iznosa u istosmjerni napon drugog iznosa.
Sastoji se od izmjenjivaa i usmjerivaa.
Tiristorska pojaala14/70
Koristi se za regulaciju brzine vrtnje istosmjernih motora u samo jednom smjeru jer daje struju armature koja moe tei samo u jednom smjeru.
Osnovni spojevi tiristorskog ispravljaa: jednofazni mosni spoj (poput Graez-ovog diodnog mosta)
m=2, trofazni zvijezda ili trokut spoj m=3, trofazni punoupravljivi mosni spoj m=6.
Oznaka m predstavlja broj pulzacija ispravljenog napona u periodu mrenog napona.
5.2.1 Tiristorski ispravlja15/70
Tiristorski ispravljauR uS uT
ua
ud
T1 T2 T3
Tr
Pr
M
T1T3
Tr
uR uS uT
Pr
M
ua
ud
T6
T5
T4
T2
Transformator
Prigunica
Trofazni zvijezda spojispravljaa (m=3).
Punoupravljivi spoj ispravljaa (m=6).
Prigunica smanjuje valovitost.
16/70
Na slijedeoj slici je prikazana principijelna (nadomjesna) shema upravljivog ispravljaa (prikazana je samo jedna faza zbog jednostavnosti).
Oznake na slici imaju slijedea znaenja:eR idealni naponski izvor,Rm, Lm ekvivalentni otpor i induktivitet mree,Rt, Lt ekvivalentni otpor i induktivitet transformatora,uF pad napona na tiristoru u stanju voenja,Rp, Lp otpor i induktivitet prigunice,Ra, La otpor i induktivitet armature,
U opem sluaju imamo m faza. Pretpostavit emo da su elementi idealni (otpori i induktiviteti).
Impulsni ureaj generira impulse sinhronizirane s napajanjem ispravljaa.
Ugao upravljanja je funkcija napona us: =f(us).
Tiristorski ispravlja17/70
Tiristorski ispravlja
uaud
Impulsni ureaj
Rt
Lt
Rm
Lm
Lp Rp
La
Ra
eR
uFu
()
e
Principijelna shema upravljivog ispravljaa
Impulsni ureaj generira impuls na tiristoru da bi on preao u stanje voenja.Generira upravljake impulse na upravljake elektrode tiristora u trenutku ovisnom o vrijednosti izlaza iz regulatora (ugao upravljanja ).Predstavlja vezu izmeu regulatora i tiristorskog ispravljaa.
uS
18/70
Impulsni ureaj
uF
Ulazno pojaalo
uS
uS0()
Filter
Generator impulsa
Pojaalo impulsa
Stabilizator izvora napajanja
um umMrea napajanja
up
urn
u ()
Generator referentnog
napona
Impulsni transformatorKomparator
19/70
Osnovni naini upravljanja tiristorom: Vertikalni generira se referentni napon urn koji je pilastog ili
sinusoidalnog oblika, te se usporeuje s naponom up. Kada je up+urn=0 tada se generira impuls. Horizontalni generira se urn, ija je faza funkcija up-a, tj. rn=f(up). Kada je urn=0 poinje generiranje impulsa. Generator referentnog napona (sinhronizira urn sa up, tj. rad
impulsnog ureaja sa naponom mree) je element za sinhronizaciju.
Filter izrauje se kao RC filter da se smanje izoblienja napona mree. U industriji se rade filteri s F = /3 (za 6-pulsne usmjerivae).
Ulazno pojaalo slui za prilagoenje regulatora i impulsnog ureaja (up= -us0- us ).
Impulsni ureaj20/70
Komparator odreuje poetak generiranja impulsa. Kada je urn+up=0 tada komparator mijenja stanje.
npr. za urn+up>0 uk=+5V (+10V),urn+up
Valni oblici napona ispravljaa i struje mree
0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.040.035
0
ud
id
R
Luf
Jednofazni mosni spoj (m=2), teret tipa R+L
ugao upravljanja mjeren od prirodnog ugla voenja. ugao voenja tiristora.0=2/m= ugao pulzacije.=/2-/m=0 ugao prirodnog voenja. t [s]
0
1
-100
100
0
50
0
u
[
V
]
P
1
,
P
2
i
d
[
A
]
u1, u2, udf=50 Hz
T1
T2
T3
T4
22/70
Valni oblici napona ispravljaa i struje mree
uR uS uT
id
udT1 T2 T3
Tr
R
Lis1 is2 is3
0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.040.035
0
t [s]
0
1
-100
100
0
50
0
uR, uS, uT, ud
ugao upravljanja mjeren od prolaska mrenog napona kroz nulu.
P1, P2, P3
id
Trofazni zvijezda spoj (m=3), teret tipa R+L
23/70
Treba uzeti u obzir da tiristor moe biti ukljuen (propaljen) samo jednom unutar pulzacije ispravljenog napona diskretno djelovanje unutar kontinuiranog sistema.
U nastavku se razmatra trofazni zvijezda spoj tiristorskog ispravljaa.
Ugao voenja tiristora je:
5.2.2. Statike karakteristike upravljivog ispravljaa
.2 starinovi += m Za kontinuirani reim voenja (struja stalno tee) = 0. Za diskontinuirani reim voenja (struja ima prekide) 0, =konst.
Ispravljaki reim energija iz mree u ispravlja.
Invertorski reim E|Ud|, dio energije se troi na otporimaarmaturnog kruga, a dio se vraa u mreu (stroj radi kao generator).motor. iistosmjern
napaja koji aispravlja tipu o ovisi Minimalni. tiristorasvojstavazapornih anjauspostavlj
vremenuodgovara koji ugao ,komutacije ugao.150)(180
0
0
+= om
26/70
Dinamike karakteristike tiristorskih ispravljaa vezane su uz: Diskretnost upravljanja tiristor moe doi u stanje voenja u
odreenom trenutku unutar pulzacije napona. Poetak voenja ovisi o brzini promjene upravljakog signala d/dt.
Nepotpunost upravljanja stvara problem ako je d/dt > m, jer se tada odzivi kod poveanja i smanjivanja upravljakog signala razlikuju.
Dinamika svojstva ovise o amplitudi i frekvenciji upr. signala nelinearan element.
Odziv na promjenu upravljakog signala nije jednoznaan (ovisi o reimu voenja).
Diskontinuirano voenje prijelazni proces zavrava unutar jedne pulzacije, tj. ne vidi se djelovanje armaturne vremenske konstante Ta = 0.
Dinamike karakteristike tiristorskog ispravljaa27/70
Koriste se za regulaciju brzine vrtnje istosmjernih motora (bez reverzije i koenja, onda se koristi ispravlja koji daje struju samo jednog smjera).
Ako se zahtijeva reverziranje i koenje onda se koristi usmjeriva koji se sastoji od dva ispravljaa. Ispravljai su spojeni paralelno pa imamo tri spoja: antiparalelni spoj bez krune struje (ukljuen samo jedan
ispravlja) antiparalelni spoj s krunom strujom (istovremeno
ukljuena oba ispravljaa, jedan u upravljakom, a drugi u inverznom reimu.
kruni spoj (istovremeno ukljuena oba ispravljaa).
5.2.3. Tiristorski usmjerivai28/70
5.3. Tranzistorski pretvarai
Ud0
D1 D3 D5
D2 D4 D6
U
T
r
a
n
z
i
s
t
o
r
s
k
i
p
r
e
t
v
a
r
a
(
o
p
e
r
)
L
UR
T
C
U UTiristorski ispravlja
Ispravlja Vezni filterSklop za koenje
29/70
Trofazni izmjenini napon se dovodi da diodni most koji vri punovalno ispravljanje.
Na izlazu mosta zahvaljui kondenzatoru, koji se nabija na vrnu vrijednost, uzrokuje pad napona Ud0.
Sklop za koenje slui za troenje energije koju ne vraamo u mreu. Energija se troi na otporu R.
Napon Ud0 dovodi se na tranzistorski pretvara (oper) koji taj napon (istosmjerni napon) pretvara u istosmjerni nivo.
Na slijedeoj je slici oper prikazan pomou sklopke koja je upravljana upravljakim naponom Uup koji ima logiko znaenje.
Ako se na oper prikljui teret, kroz njega e tei struja i na njemu e se stvarati pad napon Ud.
Za Uup=1 na teretu imamo napon Ud0, za Uup=0 na teretu je napon 0.
5.3.1. Tranzistorski pretvara (oper)30/70
operom se kontrolira viak energije koji se ne vraa u mreu nego se troi na potroau (R).
Tranzistorski pretvara (oper)
TeretUd0 Ud
Uup
oper
Tisk
TukUd
Ud0
Uup
operom se regulira dotok energije
31/70
Frekvencija prekidanja je definirana na slijedei nain:Tranzistorski pretvara (oper)
.T
Td uk=
,11TTT
fiskuk
c =+=
.0dd dUU =
gdje su Tuk i Tisk intervali ukljuivanja, odnosno iskljuivanja. Slijedei bitan parametar je popunjenost signala (duty cycle):
Izlazni napon Ud iznosi:
Promjena popunjenosti (pogodno za otvorene reg. krugove): fc=konst., Tuk promjenjivo, Tuk=konst., fc promjenjivo.
32/70
Tranzistorski pretvara (oper)
D1T1 D3T3
D4T4 D2T2
LaRaE
iaCUd0
L
ud
ud
ia
I
IV
II
IIIA B
33/70
Pretpostavke za analizu rada opera: sklopovi za upravljanje bazom tranzistora (ukapanje, iskapanje)
prenose djelovanje upravljakih signala, tranzistorske sklopke su idealne, atiparalelne diode su takoer idealne.
Rad u prvom kvadrantu T1, T2 ukljueni interval Tuk (ud=Ud0), ia>0, ud>0 (ia tee od A prema B), T1 ili T2 iskljuen interval Tisk (ud=0).
Rad u prvom kvadrantu
E
T2D4
ia
ud
LaRa
34/70
Rad u prvom kvadrantu
ia
Ud0
ud
t
t ia
Ud0
ud
t
t
T1T2 T2D4 T1 T2 T1D3
Kontinuirani reim voenja Diskontinuirani reim voenja
E
35/70
Tuk Tisk
Povrat energije u izvor ili na troilo R. Valni oblici napona i struje
Rad u drugom kvadrantu
ia
-Ud0
ud
t
tT2D4 D3D4 T2D4 D3D4 T2D4 D3D4
37/70
Rad u etvrtom kvadrantu T3, T4 iskljueni D2, D1 vode, ia0 (ia tee od A prema B).
Rad u treem i etvrtom kvadrantu
ia
Ud0
ud
t
t
39/70
Prijenosna funkcija opera je oblika:Model opera
.21
2
,0
c
up
d
fTT
UU
K
==
=
,1
)(sT
KsG
+=
.)( KsG
Koeficijent pojaanja i vremenska konstanta opera iznose:
Kada je fc>> slijedi da je:
40/70
Razliiti tipovi izvedbi opera
ia
D1Ud0 C
E
La
Ra
T1
Ud
Ud
Ia
41/70
Razliiti tipovi izvedbi opera
LaRa
D1T1
D1T1E
CUd0Ud
Ia
ia
Ud
42/70
Pretpostavke: motor s nezavisnom i konstantnom uzbudom, brzina vrtnje je konstanta.
Uz ove pretpostavke slijede jednadbe za odreivanje statikih karakteristika:
Statike karakteristike tranzistorski napajanog EMP
).,()(
,,
,
0
0
dfR
KdUKM
KIMdUU
KRIERIU
a
dm
am
dd
aaaad
====
+=+=
43/70
Za kontinuirani reim voenja vrijedi:Kontinuirani reim voenja
.11ln0
+
= aT
T
d
agr eU
ETT
d
. ,0 b)
,0 , a) 0
TtdTdtdi
LRIE
dTtdtdi
LRIEUU
aaaa
aaaaad
Istosmjerni motor napajan je iz opera koji je vezan na izlaz mosnog spoja diodnog ispravljaa prikljuenog na mreu (3, 230 V, 50 Hz). Podaci o motoru i operu su:
Pn=15 kW, Uan=230 V, nn=500 min-1, Ra=0.04 , La=1.5 mH, K=4.172 Vs/rad, fc=2 kHz.
Motor se vrti brzinom od 300 min-1 uz popunjenost signala opera od 55 %. Odrediti srijednu vrijednost armaturne struje i momenta motora. Takoer, odrediti da li je struja motora kontinuirana.
Primjer 1
Rjeenje:Napon Ud0 rauna se na slijedei nain:
).6( V, 310.5323020cossin0 ===
= mmm
UU md o
45/70
Primjer 1 Brzina vrtnje motora iznosi:
rad/s. 31.4230
== n
A. 88.99104.0
42.31172.45.31055.00 ===a
da R
KdUI
.s 0375.004.0
0015.0 ===a
aa R
LT
Na temelju dobivenih vrijednosti slijedi da je struja armature jednaka:
Nm. 1.4138== am KIMMoment motora ima vrijednost:
Vremenska konstanta armaturnog kruga iznosi:
46/70
Primjer 1 Interval ukapanja + iskapanja iznosi:
0.0005s.10211
3 === cfT
V. 1.13142.31172.4 === KEVrijednost protuelektromotorne sile je:
.423.015.3101.1311ln7511 75
1
0
=
+=
+
= ee
UEln
TTd aT
T
d
agr
Granina vrijednost popunjenosti signala iznosi:
Budui da je d>dgr slijedi da je struja kontinuirana.
47/70
5.4. Upravljanje motorom koritenjem H-mosta Shema upravljanja istosmjernim motorom koritenjem H-mosta. Napon koji se dovodi je istosmjerni napon (napon baterije).
48/70
Upravljanje motorom koritenjem H mosnog spoja Prekapanje smjera upravljanja A prekidai zatvoreni tok
struje u smjeru kazaljke na satu. B prekidai zatvoreni tok
struje suprotan smjeru kazaljke na satu.
PWM za upravljanje brzinom Popunjenost (duty cycle) A-
ova za brzine u smjeru kazaljke na satu.
Popunjenost B-ova za brzine suprotne smjeru kazaljke na satu.
Moe se konfigurirati za koenje Donji B i A za koenje.
M
12V
A
A
B
B
49/70
Upravljanje motorom koritenjem H mosnog spoja Definicija popunjenosti
T
Tuk Tuk Tuk
T T
.T
TtPopunjenos uk=
50/70
Upravljanje motorom koritenjem H mosnog spoja Brzina motora je direktno proporcionalna primijenjenom naponu
(naponu napajanja). Ako se motor napaja iz baterija iji je napon konstantan i iznosi 12
V, kako taj napon smanjiti na 6 V.
51/70
5.4.1. PWM (Pulsno irinska modulacija) Na prethodnoj slici je prikazan nain upravljanja motorom
prekapanjem brzine. Kada je primijenjen napon od 12 V, brzina ima tendenciju
porasta. Kada se nakon nekog vremena iskljui napajanje, brzina
motora se poinje smanjivati. Ako bismo naizmjenino ukapali i iskapali napajanje
motora, pri emu su intervali kada je motor napajan jednakog trajanja, a takoer i intervali kada je napajanje iskljueno, dobili bi se signali prikazani na prethodnoj slici.
Sa ovih signala se vidi da je prosjean iznos brzine oko 150 obrtaja u minuti.
Ovakav oblik signala brzine motora dobiva se iz bloka za pulsno irinsku modulaciju (PWM).
52/70
PWM (Pulsno irinska modulacija) Frekvencija rezultirajueg PWM signala ovisi o frekvenciji
primijenjenog pulsnog signala. Postavlja se temeljno pitanje: Koliku frekvenciju signala elimo? Frekvencije izmeu 20 Hz i 18 kHz mogu proizvesti zvuni vrisak
iz kontrolera brzine i motora. RF interferencija emitirana elektrikim krugom bit e loa ako je
primijenjena visoka frekvencija prekapanja. Svako ukapanje i iskapanje MOSFET-a kontrolera brzine
rezultira u malom gubitku napajanja (snage). Za veliku frekvencija prekapanja, najstabilniji je valni oblik struje
motora. Ovaj valni oblik e biti iljast na niskim frekvencijama, ali e na visokim frekvencijama induktivitet motora izgladiti signal na srednju razinu istosmjerne struje proporcionalnu PWM zahtjevima.Zailjenost signala e prouzrokovati velike gubitke snage na otporu vodia, MOSFET-a i namota motora nego stabilni valni oblik istosmjerne struje.
53/70
PWM (Pulsno irinska modulacija) Na slijedeoj slici su prikazana dva signala koji imaju jednak
prosjean iznos struje. Kada se promatra disipacija snage na otporu R dobiva se za DC
sluaj: .2 RIP =
.22
02)2( 222 RIRRIP =+=
Za sluaj prekapanja prosjean iznos snage iznosi:
54/70
Izbor frekvencije PWM-a Izbor frekvencije na temelju karakteristika motora. Jedan od naina izbora frekvencije je da elimo takav valni oblik
struje koji e biti stabilan unutar p procenata. Zatim se matematiki proraunava minimalan iznos frekvencije za
koji se postie definirani cilj.
55/70
Izbor frekvencije PWM-a Na slici je prikazan najloiji sluaj, 50:50 PWM omjer, i porast
struje je prikazan za sluaj guenja motora, to je takoer najloiji sluaj.
Valni oblik struje u poluintervalu pada je dan sa:
.)100
1( 01 ipi =
,)( LtR
t
IeIeti ==
gdje je: vremenska konstanta kruga. Tako struja u trenutku T/2 (i1) ne smije biti manja od p% od
struje u trenutku t=0 (i1). Ovo znai da postoji slijedei uvjet ogranienja:
56/70
Izbor frekvencije PWM-a Uz navedene relacije i uvjet ogranienja imamo:
.100
1ln2100
1ln2
)100
1(
)100
1(
2
02
=
=
=
=
pRLT
pL
TR
pe
IepIe
LTR
LTR
Slijedi da je frekvencija prekapanja f=1/T jednaka:
.
1001ln2
=pL
Rf
57/70
Izbor frekvencije PWM-a Starter Ford Fiesta automobila ima slijedee aproksimativne
parametre:
Pri tome se takoer treba ukljuiti otpori na MOSFET-ovima, 2x10 m, to ukupno daje 0.06 .
U slijedeoj tabeli su dane izraunate frekvencije za zadani procenat.
H.70 ,04.0 == LR
610 Hz50
1900 Hz20
4 kHz10
8.2 kHz5
42 kHz1
Frekvencija Procenat
58/70
Izbor frekvencije PWM-a Na slijedeoj slici je prikazan grafikon frekvencije prekapanja u
ovisnosti od doputene valovitosti. Doputena, niska valovitost se postie za frekvencije ispod 5 kHz.
59/70
Krug upravljanja brzinom Na slijedeoj slici je prikazan jednostavan krug. Sa La je oznaena induktivnost uzbudnog i armaturnog kruga, dok za
daljnja razmatranja otpornosti armature i uzbudnog kruga nije vana, pa stoga na slici nisu ni prikazane.
Kada je MOSFET tranzistor Q1 otvoren, struja protie kroz uzbudni i armaturni namot i motor rotira.
Kada se MOSFET zatvori, struja istovremeno ne prestaje tei tako da napon na zavojnici tjera smanjenu struju u istom smjeru, koja sada tee kroz krug armature i nazad kroz diodu D1(prikazano crvenom bojom).
Kada ne bi bilo diode, tada bi se javio veliki napon na Q1 i MOSFET bi se zapalio.
60/70
M
Obnavljanje (regeneracija) U prethodno prikazanom krugu struja tee samo u jednom smjeru, od
baterije do motora. Kada eljena brzina motora naglo padne poeljno je da motor radi kao
generator, odnosno da tjera struju u bateriju (regenerativno koenje). Da bi se to postiglo treba dodati dodatne komponente (ne moe se postii
sa prethodnim krugom) slika ispod.
61/70
M
Obnavljanje (regeneracija) U ovom krugu, MOSFET Q1 i dioda D1 obavljaju istu funkciju
kao u prethodnom krugu. MOSFET Q2 je postavljen u suprotnoj fazi sa MOSFET-om Q1.
Ovo znai kada je Q1 otvoren (vodi), tada je Q2 zatvoren, i obratno.
Kada je Q1 zatvoren motor radi kao generator (reim koenja). Struja moe tei unazad kroz Q2 koji je otvoren. Kada se Q2 zatvori, ova struja se odrava sa induktivitetom, i struja e tei kroz diodu D2 i vraati se nazad u bateriju.
Graf struje motora kada je motor u reimu koenja je prikazan na slijedeoj slici.
Da bi motor radio kao generator on mora imati magnetsko polje generirano sa svitkom.
Tok struje ovisi o teretu, tako u reimu obnavljanja struja ovisi o bateriji, odnosno o tome koliko je baterija puna.
62/70
Reim koenja
Voenjeureaja D2 Q1 D1 Q2
Q1
Q2
ia
63/70
U svakom intervalu otvoren samo jedan od dva tranzistora
Krug sa punim H mosnim spojem Kada se eli pokrenuti motor tada je MOSFET Q4 otvoren i na Q1
se dovodi PWM signal. Tok struje je prikazan crvenom linijom. Dioda je postavljana u inverznom smjeru du namota polja. Na
ovaj nain je omogueno struji da tee kada su sva etiri MOSFET-a zatvorena.
64/70
Krug sa punim H mosnim spojem Ako se MOSFET Q4 dri otvorenim a iskljui PWM signal, tada
struja tee kroz donji dio kruga i diodu. Da bi se motor vrtio u suprotnom smjeru potrebno je MOSFET Q3
dri otvorenim i na MOSFET Q2 dovesti PWM signal.
65/70
Krug sa punim H mosnim spojem U sluaju da je MOSFET Q3 otvoren i da se iskljui PWM signal,
tada struja tee kao na slici. Za obnovu, kada se motor vrti unazad, na primjer, motor (koji sada
djeluje kao generator) tjera struju u desnom smjeru (crvena strelica) kroz armaturu, diodu MOSFET-a Q2, bateriju i nazad kroz diodu MOSFET-a Q3.
66/70
Generiranje PWM signala Generiranje PWM signala moe se ostvariti na razliite
naine, primjenom analogne elektronike, PWM ipom, digitalnom tehnikom, onboard mikrokontrolerom.
Upotreba analogne elektronike. PWM signal se generira na temelju usporedbe trokutastog i DC signala.
DC signal moe biti u intervalu izmeu minimalnog i maksimalnog napona trokutastog signala.
Generator trokutastog
signala
Istosmjerna razina
PWM izlaz
PWM
67/70
Generiranje PWM signala Kada je napon trokutastog signala vei od razine
DC signala, izlaz operacijskog pojaala je visoka razina, a kada je napon manji izlaz je niska razina.
Sa dijagrama se vidi da ako je DC razina vea, tada su impulsi kraeg trajanja.
Primjer kruga za generiranje PWM signala pomou elemenata analogne elektronike prikazan je na slijedeoj slici.
On koristi broja i teinski ljestvicu otpora za generiranje trokutastog signala.
68/70
Generiranje PWM signala Elektronika realizacija sklopa za generiranje PWM signala
69/70
Generiranje PWM signala Kod digitalne metode usporeuju se vrijednost iz brojaa i
prethodno pohranjena vrijednost u registru. Digitalna verzija prethodno opisane analogne metode je
prikazana na slijedeoj slici. Zahtijevana PWM razina se u registar upisuje pomou
mikrokontrolera.
Broja74HC161
klok
Registar74HC373
razina Ko
m
p
a
r
a
t
o
r
7
4
H
C
8
5
70/70